實驗器材共享管理系統

顧云凌 詹鵬 陳新強 劉茂艷 魏文娟 楊文竹

摘要：國內外預約、共享管理平臺飛速發展，該類平臺可涉及多個領域，對于高校、企業等組織購入的各類器材也可以利用此種管理模式，實現網上預約、自動登記借還，高效便捷、節省人力。

關鍵詞：預約管理;器材共享;NI-myRIO;虛擬交互界面;UWB定位

1.引言

現隨著國內外器材共享平臺的不斷涌現，該系統可涉及多個領域，對企業、學校等組織而言器材的妥善管理、資源共享有著重要意義，一個較為完善的器材共享管理系統較人為對設備進行登記更加方便快捷。我們可以通過這樣的系統與超寬帶定位技術實現設備借還時的自動登記，智能車在監測設備環境的同時可引導設備位置，因而可實現無管理人員的自動借還模式。

2.系統設計

2.1設計背景

預約管理模式是目前國內外比較流行的一種器材使用管理方式。預約管理模式的思想是：利用信息化的手段，在器材共享平臺上提供預約功能，用戶通過實名認證后，在網上預先約定使用設備的時間段，經后臺管理員審核通過后，在指定時間段內使用器材[3]。本文提出的實驗器材共享管理系統是一種集預約、自動借還登記、設備環境監測于一體的系統，其具有操作便捷、規模可大可小、減少人力、可實現資源共享等優點。

2.2系統總體結構

本設計是以單片機為控制核心、以NI-myRIO為數據處理的服務器的集多種功能于一體的系統。該系統的交互部分可通過手機、電腦、混合現實技術的Hololens眼鏡進行操作，硬件設計部分由單片機控制模塊、無線模塊、超聲波避障模塊、UWB定位模塊、循跡模塊、溫濕度報警模塊、煙霧報警模塊等多個部分組成。

2.3定位模塊選型

在本文設計中，應用的場景大多為室內，且實施規模可大可小，因此采用了精度更高的UWB（Ultra Wide Band）超寬帶定位技術，選擇了DWM1000定位模組。超寬帶定位技術相比較WiFi、藍牙、Zigbee等其他定位技術，UWB技術具備定位精度高、安全性好、傳輸速率高、系統容量大、功耗低、抗干擾能力強等諸多優勢。[5]

2.4無線通訊設計

本設計采用無線ESP8266串口WiFi模塊，其具有的省電模式適用于各種低功耗應用場景。ESP8266芯片的工作溫度范圍大，且能夠保持穩定的性能，能適應各種操作環境。

2.5智能車核心開發板選型

NI-myRIO是嵌入式系統的開發平臺，此項目中作為智能車數據處理的核心服務器，STM32開發板作為控制各個模塊的控制核心。通過 STM32 搭載 NI myRIO 來實現實時采集參數、數據的處理與存儲、數據通信功能以及循跡避障功能，來幫助實現智能車的自動巡檢;智能車上搭載的超聲波避障和紅外報警裝置，通過自動巡檢可實時監測器材所處環境是否發生異常，異常時能夠利用移動通信模塊及時向管理人員發送信息并發出警報，實現實驗室無人監管狀況下的安全保障[4]。

2.6智能車借還功能的實現

小車接收到借物通知時，將根據設備信息在已錄入的數據庫中檢索該設備以及對應的位置信息，引導工作人員或用戶到達正確的位置對設備進行搬運[2];由于設備所在區域已被超寬帶基站覆蓋，且設備上貼有超寬帶標簽，一旦設備離開該范圍且已接收借出通知[1]，系統將認為此設備被借出，并在數據庫中設備狀態中標明。歸還設備時與以上流程相似，收到歸還設備通知時，等待設備進入有效范圍內并記錄位置信息更新數據庫。

3.程序設計

本文設計并開發了一套基于云平臺和超寬帶定位技術的器材共享管理系統。利用云平臺高速同步、安全可靠的特點，實現了用戶在不同的網絡環境或不同的終端都可以放心地訪問器材管理系統提供給用戶的數據庫來獲取信息，更加高效便捷且能夠保證各個終端數據的一致性;利用超寬帶定位技術穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統復雜度低、能提供精確定位精度等優點，實現室內靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導航、提供更高的定位精度[1]。

4.實物調試

選取一間較空曠的房間盡可能少的障礙物，固定好三個UWB基站位置，原則上三個基站設置于同一平面上，確保實驗區域被完全覆蓋。將UWB基站與標簽全部接入電源，使得定位系統處于工作模式;此模式下通過終端交互界面選取器材，可觀察到所需器材在室內的位置，同時智能小車在收到取物通知后將引導人到達設備所在地點。當設備離開有效區域時若已收到“借出”通知，則將該設備標記為“已借出”，否則視為異常。

5. 結論

此項目利用虛擬現實技術完成指定器材的演示和借存工作。利用 unity3D 建立虛擬場景、設置交互界面，下載至Hololens供用戶根據器材信息選擇所需設備，根據智能提示，用戶可快速找到器材位置;也可通過智能小車引導人到達正確設備位置完成借存;智能車搭載了溫度、煙霧報警裝置等，可在意外事故發生時及時報警。對于虛擬器材，用戶可通過 Hololens體驗和學習，也可自行下載到PC端進行操作。終端間信息傳輸和數據同步將通過WiFi信號和云計算實現。

該系統實現了器材的共享，增加了器材的利用率，在此基礎上彌補了傳統器材管理模式上存在的問題，自動登記器材情況替代了人為登記、智能車自動巡檢替代了管理人員日常監測，同時更加明確了已有器材的種類、型號等，有效減少和避免了器材的盲目購置問題。

參考文獻：

[1]黃元龍.超寬帶電子標簽技術研究[D].杭州電子科技大學，2014：2-10.

[2]柴作鴻.多功能巡檢機器人的系統設計[D].天津工業大學，2019：59-74

[3]何穎.高校大型儀器設備共享管理平臺的設計與實現[D].華南理工大學，2014：5-11

[4]楊牧垚，謝敏，張學軍.清潔機器人避障系統與路徑規劃設計[J].長江信息通信，2021，34（07）：14-17.

[5]Xia Bin et al. UWB Positioning System Based on Genetic Algorithm[J]. Journal of Computer and Communications， 2021， 09（04）：110-118.

作者簡介：

顧云凌（1999-），女，天津人，天津職業技術師范大學本科在讀，測控技術與儀器方向。

基金項目：

天津職業技術師范大學2018級大學生創新創業訓練計劃項目，項目編號：202010066071。